利用预热辅助的平顶激光粉末定向能量沉积（LP-DED）技术制备CuCrNb合金：克服高反射率以实现超密结构制造

《Optics & Laser Technology》：Preheating-assisted flat-top laser powder directed energy deposition (LP-DED) of CuCrNb alloys: Overcoming high reflectivity for ultra-dense structures

激光增材制造中预加热辅助平顶激光束技术显著提升了CuCrNb合金的致密化水平，在200°C预加热下实现0.0112%超低孔隙率，形成38±7μm细等轴晶和纳米级Cr?Nb析出物，室温强度达300MPa。但300°C预加热导致晶粒粗化至59±9μm，强度下降。研究证实优化预加热温度对抑制缺陷、调控能量耦合至关重要，为高反射铜基材料增材制造提供新策略。

　　

冯玉蕾|罗培凯|杜思伟|郑耀婷|王凯明|庞晓通

中国浙江省激光智能装备技术创新中心，温州市325035

摘要

在高反射率铜合金的激光粉末定向能量沉积（LP-DED）过程中，严重的能量损失和缺陷形成仍然是限制高密度部件制造的主要挑战。本研究采用预热辅助的平顶LP-DED技术，并通过调节基底预热温度来制备高密度CuCrNb合金。利用紫外-可见-近红外光谱（UV–Vis–NIR）测量了铜表面的反射率，而孔隙率的变化则通过微计算机断层扫描（μCT）进行分析。通过引入基底预热，激光能量吸收显著增强，从而稳定了熔池行为并有效抑制了缺陷的产生。结果，LP-DED CuCrNb合金的孔隙率降低到了0.0112%的超低水平。微观结构分析显示，在预热温度低于200°C时，形成了细小的等轴晶粒（38 ± 7 μm）和均匀分布的纳米级Cr?Nb沉淀物（<1 μm），这使得合金在室温下的抗拉强度达到300 MPa，在400°C时为176 MPa，在600°C时为101 MPa。然而，当预热温度升高到300°C时，冷却速率呈二次衰减，导致晶粒尺寸增大至59 ± 9 μm，Cr?Nb颗粒超过3 μm，从而显著降低了合金的强度。这些结果表明，200°C的预热温度是制备具有优异高温机械性能的超密CuCrNb合金的最佳条件。本研究为高反射率铜基材料的激光增材制造中的缺陷控制和能量耦合优化提供了有效策略，适用于高温结构和热管理应用。

引言

Cu-Cr合金体系（如Cu–Cr-Zr和Cu–Cr-Nb）由于其高强度和优异的导热性，已成为航空航天高温部件（如液体火箭发动机中的推力室）的关键候选材料[1]。传统的精密铸造和加工方法在制造复杂内部流道结构时面临技术瓶颈，如工艺复杂、材料利用率低以及性能各向异性等问题，难以满足新一代轻量化和功能集成推力室的发展要求。近年来，越来越多的研究关注激光增材制造（LAM）技术，该技术具有逐层堆叠和近净成形的特点，特别适用于高反射率铜基材料。Liu等人通过激光粉末床熔融（L-PBF）技术，并加入亚微米级Co颗粒和后续热处理，制备出了具有异质晶粒结构的高强度Cu-Co合金，同时提高了合金的强度和延展性[2]。Aghayar等人研究了L-PBF结合热等静压（HIP）对纯铜微观结构和性能的影响，结果表明这种工艺获得了最均匀的微观结构、最低的孔隙率（0.14%体积百分比）、最高的抗拉强度（285 MPa）和最大的延伸率（54%）[3]。因此，LAM技术为铜合金部件的高效精确制造开辟了新的途径[4],[5],[6],[7]。

与L-PBF相比，激光粉末定向能量沉积（LP-DED）采用同轴粉末送粉方式，但需要更高的能量输入，同时存在激光吸收率低的风险。由于铜合金对近红外（NIR）激光（波长：1064 nm）的反射率高达95%[5]，导致LP-DED过程中的有效能量沉积率不足，进而引起熔池稳定性差、层间结合力减弱等问题，从而产生熔合不良、孔隙和裂纹等缺陷，严重限制了LAM部件的密度和机械性能[8],[9]。NASA研究团队对GRCop-42火箭发动机的增材制造燃烧室进行了点火测试，发现高孔隙率是导致其失效的主要原因，这降低了材料的抗拉强度和延伸率，缩短了使用寿命[10]。为克服铜合金增材制造过程中的低密度问题，研究人员对形成的铜合金进行了热等静压处理（HIP），使其密度超过了99%[11],[12],[13]。此外，还通过添加B?C[14]、石墨烯[15]、Cr[16]、Al?O?[17]等粉末改性剂，以及采用激光振荡[18],[19]和红外-蓝色混合激光[20],[21]等方法来提高激光吸收率和抑制孔隙缺陷。然而，由于辅助方法的复杂性、成分变化和高成本，LP-DED在大型铜合金部件的工业应用中仍受到限制。

研究表明，铜合金对450至532 nm范围内的短波长激光具有较高的吸收率[22]，这为在LP-DED过程中使用蓝色激光提供了理论基础。Liu等人和Hori等人分别使用650 W和200 W的蓝色激光进行纯铜合金的增材制造[23],[24]。尽管可以实现超过99%的密度，但由于现有蓝色激光的功率密度限制，形成的部件中仍存在熔合不完全、裂纹和孔隙等缺陷。为解决这些问题，Yang等人采用了红外-蓝色混合激光系统进行铜合金的激光定向能量沉积[25]。首先使用低功率蓝色激光预热铜合金粉末和基底，以提高红外激光的吸收率，然后使用高功率红外激光熔化铜合金。虽然这种方法可以制造出缺陷较少的铜合金，但红外激光能量密度的高斯分布会导致成形质量较差和稀释率过高。通常，平顶分布更适合激光粉末定向能量沉积，因为其能量密度分布均匀，可以有效降低稀释率[26],[27],[28],[29],[30]。Chen等人通过熔池动态模拟研究了平顶分布和高斯分布下的激光能量沉积过程，发现平顶分布的激光能量更加均匀[26]。Wang等人表明，平顶光束能够提高熔池和 keyhole 的稳定性，并降低气体孔隙率，从而实现高密度制造[28]。Wan等人还发现，平顶光束将熔化机制从keyhole模式转变为传导模式，通过在整个熔池内提供更均匀的能量密度分布，显著抑制了缺陷的形成[30]。此外，平顶光束下的熔池底部边界比高斯分布更平坦，因此可以通过预热提高铜合金的激光吸收率[31],[32]，并通过平顶激光能量分布增强铜合金的成形能力，从而实现低孔隙率的LP-DED铜合金。

本研究在不同预热温度下，利用平顶分布的激光粉末定向能量沉积（LP-DED）技术研究了CuCrNb合金的宏观形态，并阐明了预热对孔隙率抑制和微观结构演变的影响，以及相应的机械性能。这项工作为通过LP-DED制备超密CuCrNb合金提供了理论支持和工艺指导。

材料与方法

CuCrNb粉末采用气体雾化法制备，其化学成分见表1。粉末的微观形态如图1(a)所示，呈近似球形，粒径分布范围为53至150 μm（图1(b)）。基底为CuCrZr合金，尺寸为200 mm（长）× 200 mm（宽）× 50 mm（厚），其化学成分见表2。使用的半导体激光器功率为20 kW，光斑尺寸为19 × 6 mm，采用平顶光束

显微镜观察

不同预热温度下CuCrNb合金的宏观形态如图3所示。从图3(a1)可以看出，未经预热的LP-DED CuCrNb合金未能完全成形，界面处的冶金结合不完整，存在大量未熔化的粉末和熔合不完全的缺陷（图3(a2)）。此外，沉积层内部还含有大量孔隙和夹杂物（图3(a3)）。然而，经过预热处理后

结论

本研究采用预热辅助的平顶激光粉末定向能量沉积（LP-DED）技术制备了高密度、低缺陷的CuCrNb合金，孔隙率低至0.0112%。详细讨论了基底预热对CuCrNb合金的孔隙率、微观结构演变和机械性能的影响。主要结论如下：

• (1)
  未经预热的LP-DED CuCrNb合金未能完全成形，存在大量缺陷

作者贡献声明

冯玉蕾：撰写初稿，资源准备。罗培凯：数据验证，方法学设计。杜思伟：项目监督，行政管理。郑耀婷：实验研究，概念构思。王凯明：数据分析。庞晓通：撰写、审稿与编辑，资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项目得到了国家自然科学基金（编号：52405339）、浙江省“先锋”和“领头雁”研发计划（编号：2024SJCZX0040）以及浙江省激光智能装备技术创新中心的自筹项目（编号：C1001、C1002）的财政支持。